多執行緒效能優化最大的坑，99%的人都不自知！

2024.09.27

咱們今天聊點硬派又實用的——多執行緒效能優化。別急著翻白眼啊，我知道這話題聽起來有點高大上，但放心，我保證這次咱們不拔高姿態，就聊點接地氣的干貨，讓你看完之後直呼“原來如此”！

一、多線程，想說愛你不容易

多執行緒編程，那可是現代軟體開發中的一把利器。它能幫你充分利用多核心處理器，提升程式的反應速度，處理大量並發任務。但你知道嗎？多線程就像是一把雙面刃，用得好了，那是披荊斬棘；用得不好，那就是自掘墳墓。

咱們先來個簡單的場景：假設你有個任務，需要處理一大堆資料。單線程的話，那就得一個個慢慢來，效率低得感人。但如果用多線程，嘿，那速度，咻咻的！不過，問題也來了，多執行緒環境下，資源競爭、線程安全、死鎖……這些問題就像是一群小惡魔，時不時就出來搗亂。

二、性能優化的那些坑

說到多執行緒效能優化，很多人第一反應就是「加鎖！加鎖！再加鎖！」殊不知，這恰恰是最大的坑之一。來，咱們一步步揭開它的面紗。

坑一：過度鎖定

首先，咱們得明白，鎖是個好東西，它能保證執行緒之間的資料一致性，防止競爭條件。但是，鎖也是個壞東西，因為它會阻塞線程，降低並發性。

舉個例子：

1. public class Counter {
2.    private int count = 0;
3.    private final Object lock = new Object();
4.
5.
6.    public void increment() {
7.        synchronized (lock) {
8.            count++;
9.        }
10.    }
11.
12.
13.    public int getCount() {
14.        synchronized (lock) {
15.            return count;
16.        }
17.    }
18. }

上面的程式碼，每次increment和getCount都要加鎖。這在多執行緒環境下確實安全，但效率呢？如果有很多執行緒經常呼叫這兩個方法，那鎖的開銷就大了。

解決方案：減少鎖的粒度，或使用更有效率的並發工具，例如java.util.concurrent套件裡的AtomicInteger。看，這樣是不是簡潔又有效率？

1. import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
2.
3.
4. public class Counter {
5.    private final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
6.
7.
8.    public void increment() {
9.        count.incrementAndGet();
10.    }
11.
12.
13.    public int getCount() {
14.        return count.get();
15.    }
16. }

坑二：不正確的鎖使用

鎖的使用，那是有講究的。用不好，不僅達不到預期的效果，還可能引發新的問題，例如死鎖。如果兩個執行緒分別呼叫method1和method2，那恭喜你，死鎖了！

死鎖範例：

1.public class DeadlockExample {
2.    private final Object lock1 = new Object();
3.    private final Object lock2 = new Object();
4.
5.
6.    public void method1() {
7.        synchronized (lock1) {
8.            // Do something
9.            synchronized (lock2) {
10.                // Do something else
11.            }
12.        }
13.    }
14.
15.
16.    public void method2() {
17.        synchronized (lock2) {
18.            // Do something
19.            synchronized (lock1) {
20.                // Do something else
21.            }
22.        }
23.    }
24. }

解決方案：避免嵌套鎖，盡量按照相同的順序取得鎖，或使用更高階的同步機制，例如Lock介面及其實作類，它們提供了更靈活的鎖獲取方式。

坑三：線程飢餓與活鎖

線程飢餓，簡單來說，就是某個執行緒一直無法執行的機會。而活鎖呢，則是線程之間互相謙讓，導致系統整體進度緩慢。

活鎖範例：想像一個場景，兩個執行緒在嘗試進入一個臨界區，但每次都偵測到對方在佔用，於是就都退出來等一會兒再試。結果，倆線程就這麼一直試啊試，誰也沒進去。

解決方案：引入隨機性，例如讓執行緒在重試前隨機等待一段時間，或使用更複雜的同步策略。

三、多執行緒效能優化的正確姿勢

說了這麼多坑，那咱們到底該怎麼正確優化多執行緒效能呢？別急，這就給你支幾招。

1. 使用合適的並發工具

Java的java.util.concurrent包裡，那可是有一堆寶貝等著你去發掘。比如：

ConcurrentHashMap：高效率且線程安全的雜湊表。
ExecutorService：方便管理線程池，避免手動建立和管理線程。
CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore：進階同步工具，幫你更精細地控制執行緒之間的協作。

2. 減少鎖的競爭

鎖的競爭是多執行緒效能瓶頸的主要來源之一。怎麼減少呢？

分段鎖：把資料分成多個段，每段都有自己的鎖。這樣，不同段的資料就可以同時被多個執行緒存取了。
讀寫鎖定：讀取操作通常是不改變資料的，所以可以讓多個執行緒同時讀取，而寫入操作則需要獨佔鎖定。 ReentrantReadWriteLock就是個好幫手。
樂觀鎖：假設衝突不常發生，先不加鎖，等真的發生衝突了再處理。例如AtomicStampedReference。

3. 優化執行緒池

線程池是好東西，但用得不好也會成坑。怎麼優化呢？

合理設定執行緒數量：太多了，上下文切換頻繁，影響效能；太少了，任務處理不過來。一般建議根據CPU核心數和任務類型來設定。
選擇合適的拒絕策略：當執行緒池滿了，新任務來了怎麼辦？直接拒絕、拋出異常、運行任務的拒絕回調，還是把任務放進佇列等？這得根據你的業務場景來定。
定期監控與調整：執行緒池的狀態是動態的，必須定期監控它的效能指標，例如任務處理速度、佇列長度等，然後根據實際情況進行調整。

4. 避免不必要的共享數據

共享資料是多執行緒程式設計中的一大難點。如果能避免，那就盡量避免。

使用局部變數：局部變數是線程私有的，不需要同步。
使用不可變物件：不可變物件一旦創建就無法修改，所以天然線程安全。
使用線程局部變數：ThreadLocal類別能讓你為每個執行緒維護一個獨立的變數副本，這樣就不需要同步了。

5. 利用並發演算法和資料結構

有些演算法和資料結構是專門為並發場景設計的，用起來！

平行計算框架：例如Fork/Join框架，它能幫你把大任務拆成小任務，然後並行執行。
並發集合：例如CopyOnWriteArrayList、ConcurrentSkipListMap等，它們都是執行緒安全的，而且效能也不錯。

四、總結

多執行緒效能優化，那真是個技術活。咱們得避開那些坑，例如過度鎖定、不正確的鎖使用、線程飢餓和活鎖等。然後，還得學會正確地使用並發工具、減少鎖定的競爭、優化線程池、避免不必要的共享數據，以及利用並發演算法和數據結構。

說了這麼多，是不是覺得多執行緒也沒那麼可怕了？其實啊，只要掌握了正確的方法，多執行緒就像是你手中的一把利劍，能幫你披荊斬棘，解決各種複雜的問題。好了，今天的分享就到這裡，希望對你有幫助。如果你還有其他問題或想法，歡迎留言交流哦！咱們下次見！

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